專利名稱：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備立方氮化硼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種超硬材料的制備方法，特別涉及一種不用觸媒合成黑色立方氮化硼單晶的方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(cBN)晶體硬度僅次于金剛石，但與金剛石不同，它與鐵族金屬無(wú)反應(yīng)，是加工鐵族金屬及其合金的優(yōu)良材料。通常cBN晶體有兩種制備方法一種是在超高壓(大于11.5GPa)高溫(～1500℃)下使六角氮化硼(hBN)直接轉(zhuǎn)化為立方氮化硼，或在觸媒如堿金屬堿土金屬及它們的氮化物、硼氮化物、硼化物等參與下使hBN在約5Gpa、1500℃條件下轉(zhuǎn)化為cBN的方法；另外一種是在負(fù)壓下用氣相沉積獲得cBN晶體的方法。前種方法中添加觸媒的方法，由于其所用壓力低、產(chǎn)量高、晶粒粗大，適合做工業(yè)磨料而被廣泛采用。氣相沉積方法更適合制備cBN薄膜。
與本發(fā)明相近的現(xiàn)有技術(shù)是由F.P.Budy等人做出的不用觸媒從hBN直接轉(zhuǎn)化為cBN的方法。該方法記載于題目為“六角氮化硼向致密型的直接轉(zhuǎn)換”文獻(xiàn)中，見The Journal of Chemical Physical Volume38.Number5(1962)1144～1149。該方法所用高溫高壓裝置為“Belt-type”兩面頂，所用的原料是①商業(yè)模壓六角氮化硼，含B2O3達(dá)到2.5％，或者是②純度較高的粉末狀六角氮化硼，在X-光衍射譜中沒(méi)有B2O3被檢測(cè)到。使用原料①在14.0GPa，4000K條件下得到的產(chǎn)物有較強(qiáng)的cBN的X-光衍射譜。使用原料②在11.3GPa，2500K條件下得到的產(chǎn)物有較強(qiáng)的cBN的X-光衍射譜。
該方法使用六角氮化硼為原料直接合成cBN，雖然省掉了觸媒材料，但其合成條件相當(dāng)苛刻，“轉(zhuǎn)變所需的最小壓力為11.5GPa，最低溫度2000K”。特別是使用的合成壓力高達(dá)11.5Gpa以上，這是在實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)法承受的。而且晶體結(jié)晶很小。文獻(xiàn)還指出，在直接轉(zhuǎn)化中B2O3的存在，使合成的壓力和溫度都提高了很多，這對(duì)合成是很不利的。

發(fā)明內(nèi)容
立方氮化硼是一種高效節(jié)能精密加工鐵族金屬及合金的工具材料，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工現(xiàn)代化中有重要作用。降低立方氮化硼單晶合成壓力與溫度，簡(jiǎn)化合成方法始終是研究者和生產(chǎn)者追求的目標(biāo)。本發(fā)明采用化學(xué)反應(yīng)的方法，不用觸媒，在不太高的高壓、高溫下合成了黑色的立方氮化硼晶體。本方法跟傳統(tǒng)的方法相比，克服了在用觸媒合成方法中觸媒制備及防止觸媒氧化污染等困難，簡(jiǎn)化了工藝；與直接轉(zhuǎn)化法即非觸媒法相比，使壓力大大的降低，從而降低了合成中硬質(zhì)合金釘錘的消耗，降低了生產(chǎn)成本，成為適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的有效方法。
本發(fā)明的具體工藝過(guò)程如下所述。
以單質(zhì)硼(B)或氧化硼(B2O3)和氮化鋰(Li3N)為初始反應(yīng)物，按質(zhì)量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料。反應(yīng)物研磨混勻后壓制成圓柱狀，裝入石墨加熱容器中，與葉臘石一起組裝成高壓高溫合成塊，在高溫高壓下反應(yīng)生成立方氮化硼晶體。反應(yīng)的條件為壓力3.0～6.0GPa；溫度1400～1700℃；加熱時(shí)間3～10分鐘。停止加熱樣品冷卻后卸壓回收產(chǎn)物。
將回收的含有立方氮化硼和雜質(zhì)的產(chǎn)物粉碎后，用常規(guī)的酸堿處理法去除葉臘石、石墨等雜質(zhì)，得到純凈的立方氮化硼晶體。即，可以用氫氧化鉀和硝酸去除葉臘石、石墨等雜質(zhì)。
本發(fā)明通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備立方氮化硼的方法，由于使用B或B2O3和Li3N為反應(yīng)物，不需要觸媒，并且在較低的壓力和較低的溫度下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成立方氮化硼晶體，得到的產(chǎn)品有較強(qiáng)的cBN的X-光衍射譜，粒徑在20～400微米范圍。由于工藝比較簡(jiǎn)單，與背景技術(shù)相比大大的降低了壓力，即或使用B2O3作反應(yīng)物，合成壓力和溫度也都大大降低，從而適合規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)產(chǎn)的DSO29B型壓機(jī)上完成的，該壓機(jī)高壓腔尺寸為內(nèi)徑φ15.5×12mm。合成前，先將塊狀氮化鋰在瑪瑙研缽中研成粉末狀，按1∶0.9～1質(zhì)量比將其與單質(zhì)硼粉均勻混合。將混合粉料按高壓腔承載樣品的容量稱重，在8MPa壓力下壓成柱狀體。將壓好的柱狀體裝入內(nèi)徑φ15.5×12mm的石墨加熱管中，與配套的葉臘石組裝成合成塊。將該塊放入高壓設(shè)備中進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)。反應(yīng)條件為壓力為4.4～5.0Gpa；溫度為1450～1550℃；加熱時(shí)間為4～6分鐘。停止加熱，待合成腔冷卻后，卸掉壓力取回合成產(chǎn)物。經(jīng)常規(guī)酸堿處理后得到黑色的立方氮化硼單晶體。
實(shí)施例1為本發(fā)明的最佳實(shí)施例，生成的黑色cBN的粒徑最大可達(dá)400微米。
實(shí)施例2在實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，將壓力降低至原有壓力的約70％(3.1～3.5GPa)，仍然得到了立方氮化硼晶體，但cBN晶體產(chǎn)品的粒度較將壓力增大為6GPa，也可以得到大粒度的黑色cBN單晶。
實(shí)施例3將實(shí)施例1中的反應(yīng)物單質(zhì)硼換成三氧化二硼，按質(zhì)量比B2O3∶Li3N＝1∶1.3配料，在與實(shí)施例1相同的實(shí)驗(yàn)條件下，同樣可以得到黑色的立方氮化硼單晶體，粒徑較細(xì)。
實(shí)施例4按實(shí)施例1的反應(yīng)物及其配比、工藝過(guò)程及實(shí)驗(yàn)壓力條件，降低轉(zhuǎn)換溫度為1400℃，但相應(yīng)的延長(zhǎng)加熱時(shí)間到10分鐘，或提高轉(zhuǎn)換溫度為1700℃，相應(yīng)的縮短加熱時(shí)間到3分鐘，對(duì)合成立方氮化硼單晶體的結(jié)果沒(méi)有太大的影響。在最佳的溫度范圍為1450～1550℃，相應(yīng)的加熱時(shí)間為4～6分鐘。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備立方氮化硼的方法，其特征在于，以單質(zhì)硼或氧化硼和氮化鋰為初始反應(yīng)物，按質(zhì)量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料；反應(yīng)物研磨混勻后壓制成圓柱狀，裝入石墨加熱容器中，與葉臘石一起組裝成高壓高溫合成塊，在高溫高壓下反應(yīng)生成立方氮化硼晶體；反應(yīng)的條件為壓力3.0～6.0GPa；溫度1400～1700℃；加熱時(shí)間3～10分鐘。
2.按照權(quán)利要求1所述的通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備立方氮化硼的方法，其特征在于，所說(shuō)的高溫高壓反應(yīng)，反應(yīng)條件為壓力為4.4～5.0GPa；溫度為1450～1550℃；加熱時(shí)間為4～6分鐘。
全文摘要
本發(fā)明的通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備立方氮化硼的方法屬超硬材料的制備方法。以單質(zhì)硼或氧化硼和氮化鋰為反應(yīng)物，按質(zhì)量比B或B
文檔編號(hào)C01B21/064GK1605383SQ20041001108
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月8日
發(fā)明者張鐵臣, 蘇作鵬, 杜勇惠 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)